压力平衡型指尖密封泄漏特性试验研究

周 坤 力 宁,2 潘 君 王晓燕 胡廷勋 邹晗阳 谭 键

(1.中国航发湖南动力机械研究所 湖南株洲 412002；2.直升机传动技术重点实验室 湖南株洲 412002)

指尖密封是可用于航空发动机压气机和涡轮级间气体流路以及主轴承腔的新型柔性密封技术[1]，相比于篦齿、刷式密封，因其密封性能好和相对制造工艺简单[2]，逐步在航空发动机中得到了应用。

工程应用经验表明，标准型指尖密封在工作时，因为指尖薄片与后挡板之间的摩擦力而存在滞后现象，进而导致泄漏量增大。为了缓解滞后效应对指尖密封性能的影响，工程上解决方法是在后挡板处设计压力平衡腔。近年来，随着高性能航空发动机研制的需要，指尖密封得到了较为广泛的重视和研究。国外学者ARORA等[3]对指尖密封与篦齿密封进行对比实验研究，表明指尖密封的泄漏量相比于篦齿密封下降20%～70%；PROCTOR等[4]通过指尖密封与刷式密封的对比实验，发现其泄漏量低于刷式密封；HENDRICKS[5]采用Bulk Flow模型数值分析了环境工况对指尖密封泄漏特性的影响。国内学者白花蕾[6]基于多孔介质模型对指尖密封的泄漏特性进行了数值分析；雷燕妮和陈国定[7-8]采用有限元接触分析方法研究了指尖梁型线、数量等结构参数对压力平衡型指尖密封性能的影响规律，同时采用有限元法分析了后遮流板尺寸对压力平衡型指尖密封性能的影响规律；周坤等人[9]实验研究了标准型指尖密封的泄漏特性，发现相比于刷式密封其泄漏量下降约18%；杜春华等[10]对不同配合状态下的指尖密封进行轴心轨迹和泄漏特性实验，研究了环境工况对转子轨迹和泄漏特性的影响规律；张延超等[11]数值分析了转速和压差对指尖密封泄漏特性的影响；曹静等人[12]对指尖密封结构中的气流流动和传热特性进行数值分析；白花蕾等[13]实验研究了指尖密封的泄漏特性，指出指尖梁的轴向间隙对泄漏影响比较大。从已有的文献看，目前的研究主要集中于指尖密封性能的数值计算分析，部分学者对标准型指尖密封进行了泄漏特性试验研究，鲜有进行压力平衡型指尖密封试验研究。

本文作者以压力平衡型指尖密封为研究对象，试验研究其泄漏特性，探讨转速、进出口压差和环境温度等参数对泄漏特性的影响规律；同时比较标准型指尖密封和压力平衡型指尖密封的性能。

1 试验方法

1.1 试验设备

为了更好地模拟压力平衡型指尖密封工作时的高温、高速和高压等工况，试验在图1所示的动密封试验台[14]上进行。

图1 动密封试验台

动密封试验台通过传动系统带动试验转接装置的旋转轴达到试验所需的转速；空气系统具有空气加热功能，具备提供试验所需的气体温度和压力的能力；润滑系统用来对试验设备和试验台架的轴承进行润滑；测试系统主要用来对试验转速、环境温度、气体压力、转子振动和气体泄漏量等试验参数进行测量，其中转速测量精度为满量程的±0.1%，气体压力测量精度为满量程的±1%，气体温度测量精度为±5 ℃，滑油压力测量精度为满量程的±1%；气体泄漏量采用高精度的质量流量计进行实时测量，测量精度为±0.5%。

1.2 泄漏量测试方法

由于指尖密封介质为热空气，环境温度及测量精度要求较高，因此采用压力平衡法测量泄漏量，测试原理如图2所示。B腔连接试验台的空气系统，密封试验件的气体泄漏进入A腔，A腔与大气相通。试验时当高压腔(B腔)压力值恒定时，B腔的进气量即为密封试验件的气体泄漏量。

图2 指尖密封测试方法示意

1.3 试验件

压力平衡型指尖密封由前挡板、若干层指尖薄片、环形平衡腔、后挡板等组成，采用铆接或焊接工艺将它们连接成一体，如图3所示。前挡板总是处于气流的高压侧，后挡板总是处于气流的低压侧，多层指尖薄片交错叠置在一起，用后一个指尖薄片的指尖梁遮挡住前一个指尖薄片的指尖梁间的间隙，从而防止气体从指尖梁的缝隙泄漏。指尖薄片与密封跑道形成密封界面，限制气流从高压侧向低压侧泄漏。

图3 压力平衡型指尖密封结构示意

标准型指尖密封结构示意图如图4所示。压力平衡型指尖密封与标准型指尖密封结构参数(如内径、外径、轴向总宽度、指尖梁数目等)均保持一致，唯一不同之处在于压力平衡型指尖密封的后挡板处采用了压力平衡腔结构设计。压力平衡腔与指尖薄片间有一定的轴向间隙，通过在高压侧开设一定宽度的引气槽和引气孔，使高压气体进入压力平衡腔，产生的压力能平衡部分高压侧压力作用下指尖薄片承受的作用力，从而减小指尖薄片与后挡板的摩擦力。压力平衡型指尖密封能更适应转子的偏移或升降速变化，缓解或消除滞后效应，因而具有更好的密封性能和更长的使用寿命。

图4 标准型指尖密封结构示意

压力平衡型指尖密封实物图如图5所示。前、后挡板及指尖薄片材料为高温合金。在密封跑道上和指尖薄片接触部分喷涂有耐磨涂层，以降低指尖薄片和跑道的磨损。为了进行指尖密封对比试验，设计加工了标准型指尖密封试验件，如图5(b)所示。

图5 压力平衡型指尖密封装置和标准型指尖密封

1.4 试验工况及泄漏参数

压力平衡型指尖密封泄漏特性试验包括静态试验、动态试验和与标准型指尖密封对比试验。试验最高转速为30 000 r/min，最高温度为350 ℃，最大压差为0.4 MPa。

在工程上，一般通过泄漏参数Φ2来衡量指尖密封的密封性能，其值越小说明密封性能越好。泄漏参数Φ2的关系式[15]为

(1)

式中：W为质量泄漏量，kg/s；Tu为上游气体总温，K；Do为跑道外径，mm；pu为上游气体总压，MPa。

2 试验结果及分析

2.1 静态试验

静态试验是为了检验压力平衡型指尖密封在密封跑道静止状态下的泄漏特性,是检验指尖密封性能的基础，通常用于出厂性能检验，也可作为指尖密封工作一段时间后性能变化的检验[16]。图6所示为压力平衡型指尖密封在20 ℃和350 ℃工况下的静态泄漏特性曲线。可看出，随着压比(高压侧压力和低压侧压力比值)的增加，指尖密封的密封泄漏参数Φ2先逐渐增大后趋于定值；当压比在1.6～5范围内时，20 ℃工况下泄漏参数Φ2在5 g·K1/2·mm/(N·s)附近波动，而在350 ℃工况下，泄漏参数Φ2在2.5 g·K1/2·mm/(N·s)以内。从图中还可以看出，随着温度的增加压力平衡型指尖密封泄漏参数Φ2减小，这是因为温度升高后，跑道在热膨胀作用下密封间隙减小以及气体密度下降，所以泄漏量降低。

图6 不同温度下压力平衡型指尖密封静态特性曲线

2.2 动态试验

动态试验通过模拟指尖密封的主要工作条件，如转速、压差和温度等环境参数，测取气体泄漏量。动态试验是检验指尖密封装置性能的重要试验之一，主要用于评估其密封性能、结构可靠性等[16]。

图7所示为20 ℃和350 ℃工况下不同转速时压力平衡型指尖密封动态泄漏特性曲线。可以看出，在压比1.2～1.8范围内，随着压比的升高，密封泄漏参数Φ2逐渐增加；在压比1.8～5范围内，随着压比的升高，密封泄漏参数Φ2在很小的范围波动。从图中还可以得出，随着转速和温度的增加，泄漏参数Φ2均减小。这是因为在离心力和热膨胀的影响下，压力平衡型指尖密封与密封跑道之间的泄漏间隙会减小，且气体的黏度变大，因此随着温度和转速的上升，泄漏量下降。

在动态试验中，由于压力平衡腔的存在，指尖薄片承受的空气压力作用力会被抵消掉一部分，因而指尖薄片与后挡板之间的摩擦力会降低，因此增加了指尖薄片的柔顺性，使指尖薄片能及时跟随密封跑道运动，使得其泄漏量会保持在比较低的水平。从图7可知，压力平衡型指尖密封在动态试验时的泄漏参数保持在5 g·K1/2·mm/(N·s)左右，表现出优异的密封性能。可见，平衡型指尖密封的指尖片有比较好的跟随性，有效缓解了滞后效应。

图7 不同温度和转速下压力平衡型指尖密封装置动态泄漏特性曲线

为验证试验数据的真实性和合理性，将文中的试验数据与文献[11]中指尖密封泄漏特性数值计算结果进行了比较，如图8所示。可以看出，试验结果与理论计算结果存在一定的误差，这是由于数值计算时给定的转子激励与试验台转子激励不一致产生的。但不同压差下试验得到的泄漏参数Φ2与理论计算结果有比较好的一致性，一定程度上验证了试验数据的真实性和合理性。

图8 不同压差下指尖密封泄漏参数文献值与试验值比较

2.3 与标准型指尖密封对比试验

图9所示为基本型指尖密封和压力平衡型指尖密封在室温和 350 ℃工况下的静态泄漏特性对比曲线。可以看出，室温工况下压力平衡型指尖密封静态泄漏参数Φ2相比于标准型指尖密封减小约25.6%；在350 ℃工况下压力平衡型指尖密封相比于标准型指尖密封静态泄漏参数Φ2减小约29.4%。这是因为压力平衡型指尖密封设计有压力平衡腔，可将高压侧的压力空气引入到压力平衡腔，抵消了一部分高压侧气体压力的作用力，而使指尖薄片与后挡板之间的摩擦力减小，进而增加了指尖薄片的柔顺性。因指尖薄片的指尖梁在气体压力作用下会产生一个指向轴心的径向力，使指尖薄片向轴心方向移动而减小指尖薄片与密封跑道之间的泄漏间隙，从而降低了指尖密封的泄漏量。而标准型指尖密封没有压力平衡腔，在指尖薄片与后挡板间摩擦力作用下，指尖薄片指尖梁不能向下移动，指尖薄片与密封跑道之间的泄漏间隙基本不变，所以标准型指尖密封的泄漏量明显大于压力平衡型指尖密封。

图9 不同温度下标准型指尖密封和压力平衡型指尖密封静态泄漏特性比较

图10所示为基本型指尖密封和压力平衡型指尖密封在室温工况及不同转速下的动态泄漏特性曲线。可以看出，在室温工况下，当转速为15 000 r/min时，压力平衡型指尖密封泄漏参数Φ2相比于标准型指尖密封下降约25.9%；当转速为30 000 r/min时，压力平衡型指尖密封泄漏参数相比于标准型指尖密封下降约34.2%。

图10 不同转速下指尖密封和压力平衡型指尖密封动态泄漏特性曲线(20 ℃)

图11所示为基本型指尖密封和压力平衡型指尖密封在350 ℃工况及不转速下动态泄漏特性曲线。可以看出，在转速为15 000 r/min时，压力平衡型指尖密封泄漏参数Φ2相比于标准型指尖密封下降约28.5%；转速为30 000 r/min时，压力平衡型指尖密封泄漏参数Φ2相比于标准型指尖密封下降约26.4%。

图11 不同转速下指尖密封和压力平衡型指尖密封动态泄漏特性曲线(350 ℃)

从图10、11可以看出，在室、高温工况下压力平衡型指尖密封泄漏参数Φ2小于标准型指尖密封。在动态试验中，密封跑道在热膨胀和离心力作用下进入指尖薄片，引起指尖薄片的变形，因为压力平衡腔的存在增加了指尖薄片的柔顺性，使指尖薄片能较好地跟随密封跑道移动，从而保证了不同工况下指尖密封泄漏间隙一致，使压力平衡型指尖密封泄漏参数Φ2能保持在比较低的水平。而标准型指尖密封因指尖薄片与后挡板之间摩擦力的关系，当指尖薄片发生变形后而不能及时跟随密封跑道移动，因存在滞后现象而导致泄漏量增大。

与标准型指尖密封泄漏特性对比分析结果表明，压力平衡型指尖密封的指尖薄片能有效缓解滞后效应，使该密封结构表现出优异的密封性能。

3 结论

(1)压力平衡型指尖密封在试验工况下，泄漏参数Φ2保持在5 g·K1/2·mm/(N·s)以内，表现出优异的密封性能，这说明压力平衡腔能有效缓解指尖密封滞后效应。

(2)压力平衡型指尖密封随着转速、温度的上升，泄漏参数Φ2降低。

(3)压力平衡型指尖密封与标准型指尖密封相比，静态泄漏参数Φ2下降约29.4%,动态泄漏参数Φ2在转速为15 000 r/min时减小约28.5%，在转速为30 000 r/min时减小约34.2%。

(4)研究表明，与标准型指尖密封相比，压力平衡型指尖密封表现出更优异的密封性能。后续将通过数值计算和试验验证相结合的方法，对压力平衡腔结构对指尖密封指尖薄片刚度和泄漏量的影响规律进行更深入的研究。